| 单词 | 波浪与海工建筑物的相互作用 |
| 释义 | 【波浪与海工建筑物的相互作用】 拼译：interaction of wave and maritime structures 随着世界海洋运输事业的发展，港口、海岸及海洋工程的发展就显得越来越重要。波浪是海上建筑物所经受的最主要的动力荷载，是设计海上工程时所需考虑的关键因素，它对海工建筑物的作用直接影响着建造在海岸和海洋中的用于各种用途的海工建筑物的设计、施工和安全等问题。因此波浪对海工建筑物的作用的研究是十分重要的问题。 波浪对建筑物的作用有许多种类，由于结构型式的不同，建筑物前的波浪形态和波浪对建筑物的作用也各异。防波堤、开敞式码头、护岸及海上平台是目前国内最常见的海上建筑物，它们分别属于直墙式、斜坡式、混合式，以及各种尺度和布置型式的桩或柱结构。波浪又分为深水波、浅水波或不规则波、正在破碎波、已破碎波或未破碎波等。由于工程实际的需求，波浪与各种型式的海工建筑物的相互作用一直是海洋工程界学者主要关注的研究内容。就采用的波浪理论而言，总的趋势是由线性理论向非线性理论发展，提出了微幅波，Stokes波、孤立波、椭余波和流函数波浪理论等等。20世纪50年代初，Pierson最先把Rice关于无线电噪声的理论应用于海浪，与Newman等提出了能量谱的概念，并用于海浪预报。从此这一理论开辟了海浪研究的另一个重要途径，并成为90年代的主要研究方向。随着海工建筑物的发展，有关波浪作用的理论和试验方法、计算方法也随之有了广泛 而深入的发展。海岸工程及海洋工程的结构物中，各种型式的杆件或柱状结构得到了广泛的应用，这些杆件或柱体可以是垂直的、水平的或斜向布置的，其截面尺度相对于波要素可以是小尺度的或是大尺度的。对于小直径垂直构件，至今仍主要采用1950年Morison等人提出的方法计算波浪对其的作用力，它认为当构件尺度与波长相比较小时，桩柱的存在并不影响波浪场，故作用在其上的波浪力除与桩柱尺度有关外，还取决于未被桩柱扰动的波动场内的水质点运动速度和加速度。对于倾斜杆件，Borgman(1958)建议采用推广的向量Morison方程进行计算，李玉成等分别对倾斜杆件上的波浪力做了实验研究，很好地验证了Borgman所提出的计算方法。由于Morison公式的经验性质，所以被广泛地应用于海上小尺度杆件的设计中。当柱体尺度很大时，波浪场将受柱体的干扰，此时Morison方程不再适用，通常采用1954年由MacCamy和Fuchs所提出的基于波浪绕射理论的计算方法。他们假定流体无粘性作势流运动，采用线性波理论，柱体只产生波浪的散射而无水流的分离。因此，当平面波推进与柱体相遇时，此入射波将与沿柱面向外散射的波系相叠加形成一新波系，柱体所受的波浪力将决定于新波浪场。随着研究的发展，人们发现墩柱上作用有定常或缓变的波浪力，这个现象是线性理论所不能解释的，于是许多研究者就开始了非线性波浪力的研究。由于阶数的增加，计算量迅速增加，且更高阶的势所占的比重不会很大，所以一般的非线性研究只考虑二阶问题。Chakrabarti在1972年研究了垂直圆柱体受到非线性波浪力，把Stokes五阶展开理论应用到绕射问题。接着Hunt与Baddour等对Chakrabarti的工作做了改进，由于二阶绕射势的辐射条件不甚清楚，在求解中，有多种辐射条件被采用。随着对任意形状的柱体的研究的开展，从80年代开始，有人用数值解法研究了非线性波浪力，有限元法、无限元法、源汇分布法等都曾被用来解决这样一个问题，也得到了比较满意的结果。邱大洪(1985)将此绕射理论应用到浅水区域椭圆余弦波对单个墩柱和多个墩柱的作用情况，又将此绕射理论向前发展了一步。在港口及海岸工程中，斜坡堤是一种传统的、广为采用的结构型式，这种结构可以采用大量的当地材料，且在超设计标准的外荷载的作用下一般不易发生灾害性破坏，因而采用较多。它通常可以用做防波堤、码头、护岸等。由于波浪容易在斜坡堤面上发生剧烈破碎，人们就发展了几十种稳定性较高的混凝土人工块体。最早计算斜坡堤石块稳定重量的方法是在1938年由西班牙Iribarren所提出的，他假设波浪在斜坡堤上完全破碎，石块有可能沿斜坡下滑－滑动失稳。1959年美国Hudson提出了另一种方法，即沿用至今的Hudson公式，其假定波浪在斜坡面上发生破碎，块体由于浮起失重而失去稳定。Hudson公式至今仍广为应用。波浪爬高亦是斜坡堤设计中的一个很关键的参数。由于斜坡堤有着各种不同的断面形式，从而得到适用条件各不相同的研究结果，有侧重理论的，也有侧重于试验的，由于斜坡面上波浪水流现象的复杂性，迄今在工程上主要采用试验研究成果。斜坡堤越波量的估算，目前的一些成果也是基于模型试验得到的。直墙建筑物也是工程中经常被采用的一种结构型式，如防波堤、护岸、码头等，波浪力通常是它们最主要的外荷载。直墙前的波浪形态与墙体结构和墙前的地形和水深有很大关系，可以形成全反射的立波、部分反射的立波、远破波、近破波等。关于立波理论，1928年法国Sainflou应用拉格朗日坐标系提出了一个直墙前立波的理论解，由于其计算简便，且在一定范围内具有足够的精度，所以至今一直为工程师们所采用。70年代以来各国学者分别在寻求更高阶的近似解，中国的洪广文及邱大洪对高阶近似解都做过大量的工作，邱大洪还把椭余波理论应用到直墙建筑物的情形，给出了许多有意义的理论和试验结果，Penny和Price对深水有限振幅的立波进行了详尽的研究，得到了五阶近似的理论解，对浅水立波也作了二阶近似解，传统的直墙结构主要起挡浪作用，它或是将波浪全部反射，或是部分反射及部分破碎，因而需要很大的自重才能保持建筑物的安全与稳定，为了降低工程造价，减轻结构物重量，并很好地消浪，人们提出了许多新型结构，如削角堤、圆形结构、透空式结构和曲面壁消浪结构沉箱等。目前对于直墙前的波浪破碎的机理尚无满意的解释，因此大部分研究工作均靠实验研究。随着计算技术的高速发展，也给海岸工程的研究注入了新鲜血液，已有人在用数值方法模拟波浪对直墙建筑物作用的全过程，这无疑使得人们对波浪的作用现象认识更为清楚。波浪是海上建筑物的主要荷载，波浪对建筑物的作用主要有二方面：一是直接作用在建筑物上的波浪力，一是波浪在海床内引起的渗流对建筑物与海床接触的边界上作用的波浪渗流力。前面涉及的都是指前者的作用，后者的研究在学术界是80年代才开始的，而在工程界则多采用根据判断而提出的经验计算方法，缺乏理论依据。波浪在多孔介质内的渗流作用包括两方面，一是作为多孔介质的海床或人工抛石基础，在与之相接触的海工建筑物上作用有波浪渗流力；一是以多孔介质为材料所建造的海工建筑物中的波浪渗流作用，上述渗流作用比较复杂，它涉及波浪在可渗结构上和内部传播引起的孔隙水压、渗流、孔隙水压积累等现象，以及可渗结构对波浪的影响。基于海床为刚性多几孔质的假定，Durand和Monkmeyer(1980)对波浪场下渗流对大尺度圆柱的作用进行了理论分析和计算，并相应地做了一些验证性模型试验。邱大洪领导的课题小组自1986年开始，基于海床可渗可压缩的假定，用Biot固结理论对重力式结构底面上由于波浪引起的渗流力进行了系统的研究，其中包括解析的、数值的和实验研究，相继给出了立于有限深或无限深海床上或抛石基床上的二维或三维的圆形截面，以及任意形状建筑物在线性波、椭余波、不规则波作用下的渗流力的解析解、数值解和模型试验结果，经比较表明，理论结果与试验结果吻合很好。在波浪作用下，斜坡式抛石防波堤和护岸等抛石结构，其堤身和护面都可能发生破坏，在设计此类结构时，所需考虑的几个因素大多与堤身内引起的渗流运动有关，在目前的工程设计中，均采用经验的设计方法或物理模型试验来确定设计断面，虽然也有一些数模结果，但距实际工程尚有差距。由于这些因素，许多研究者相继开展了这方面的研究。1978年Madsen在长波、小振幅的假定下，研究了波浪的爬高、反射、波浪在堤身内的运动以及波浪的透射等问题。邱大洪等用边界元与有限元相结合的方法，采用同时求解波浪场和渗流场的数学模型，提出了波浪在抛石防波堤内引起的渗流运动模型。除了以上所述的几种建筑物外，波浪与海工建筑物相互作用研究还包括波浪对浮体、海底管线的作用，对这方面的问题也已有不少的研究成果。波浪对海工建筑物的作用分为确定性的和不确定性的问题。在确定性分析中，波浪被看做是单方向的、连续稳定的、等振幅的过程，然后确定其波浪力的大小，规则波的作用情形就属于这类问题。在不确定性分析中，波浪被看做是随机的过程，通过统计分析和谱方法分析波浪力的大小，不规则波的作用情形则属于这类问题。不规则波的作用力将以建筑物所受的规则波浪力的分析计算方法做为其研究的基础，目前主要采用以下几种方法进行分析：特征波法；谱分析法；概率分析法；不规则波试验法。目前许多研究者对此进行了大量而深入的研究，并已将许多研究成果应用到实际工程之中。由于计算机的引入，波浪对海工建筑物的作用研究大大拓宽了其研究范围。目前许多计算方法，诸如有限差分法、有限单元法、边界元法、流体体积函数法、有限分析法等，都曾被用来解决这一领域的许多问题，将此数值解与理论解及实验结果结合起来，构成了对问题的一个完整解答。研究表明，数值方法已越来越显示其巨大的优越性和蓬勃的生命力。【参考文献】：1 Morison J R, Johnson J. W. Schaaf, S A, Petrolenm Transaction, 1950, 189:149～1574 邱大洪．波浪理论及其在工程上的应用．北京：高等教育出版社，1985．5～3845 邱大洪．水利学报，1989，4∶22～326 李玉成．Wave Action on Maritime Structures．大连：大连理工大学出版社，1990．1～2737 俞聿珍．随机波浪及其工程应用．大连：大连理工大学出版社，1992．211～258(大连理工大学邱大洪教授撰) |
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